CN104481893B - 一种水泵优化节能控制方法 - Google Patents

Abstract

一种水泵优化节能控制方法，包括以下步骤：1）推导出水泵的总输入功率计算公式，通过水泵的总输入功率计算公式进行计算，寻找出水泵运行特性曲线上的最优工作点，在达到所需流量的情况下，该最优工作点的总输入功率最低，即水泵能耗最低；2）通过对阀门调节与变频器调节的相互配合，将水泵的工作点调节至步骤1）确定的最优工作点；通过对变频器和调节阀的双重调节，该方法可在满足用户对流量需求的前提下，使得水泵的总能耗最小。

Description

一种水泵优化节能控制方法

技术领域

本发明属于水泵节能技术领域，具体涉及一种水泵优化节能控制方法，主要是对水泵运行过程中通过变频器与阀门的调节以实现节约水泵运行能耗的方法。

背景技术

目前，很多企业进行水泵的节能改造项目，应用比较多的是使用变频器等措施，在采用变频器进行节能改造的过程中，出现了一个很重要的问题，即当变频器的频率较低时，会引起水泵效率的急剧下降，在这种情况下，虽然采用了变频器，但由于水泵的效率偏低，使得变频器的节能效果不能充分发挥出来，使变频器的节能效果大打折扣。

图1中的横坐标为水泵的流量，纵坐标为水泵的扬程，N1、N2、N3、N4为水泵电机在不同转速下水泵的特性曲线，S0、S1、S2、S3为不同阻力下的阻力特性曲线。例如，需求流量为L时，当初始工作点为Ⅰ点时，调节方法可以有以下几种(但不限于以下几种)：

(1)方法一：从Ⅰ点首先沿着N1曲线通过阀门调节将工作点调节至与S1曲线的交点(假设该交点的水泵轴效率最高)，然后再通过调节变频器的频率以改变转速，沿着S1曲线将水泵工作点调节至S1与N2曲线的交点，S1与N2的交点即为Ⅲ点，运行工作点变为Ⅲ点,此时，水泵的流量为所需要的L。

(2)方法二：通过改变变频器频率改变转速进行调节，使流量达到L。此方法不改变管网阻力，因此从Ⅰ点沿着曲线S0进行，S0与N4的交点即为Ⅳ点，运行工作点变为Ⅳ点，此时，水泵的流量也为所需要的L。

(3)方法三：阀门与变频器同时调节，使流量达到L。此法首先从Ⅰ点沿着N1曲线通过阀门调节将工作点调节至N1与S3的交点；然后再通过调节变频器改变转速，沿着S3曲线将水泵运行工作点调节至S3与N3的交点即为Ⅴ点，运行点变为Ⅴ点，此时，水泵的流量也为所需要的L。

将此三种方法的功耗进行比较：

方法一的功耗：

方法二的功耗：

方法三的功耗：

式中：

W_III为Ⅲ点的总输入功率，ΔP₃为Ⅲ点的扬程，η_pIII为Ⅲ点的轴效率，η_mIII为Ⅲ点的电机效率，η_iIII为Ⅲ点的变频器效率；

W_IV为Ⅳ点的总输入功率，ΔP₁为Ⅳ点的扬程，η_pIV为Ⅳ点的轴效率，η_mIV为Ⅳ点的电机效率，η_iIV为Ⅳ点的变频器效率；

W_V为Ⅴ点的总输入功率，ΔP₂为Ⅴ点的扬程，η_pV为Ⅴ点的轴效率，η_mV为Ⅴ点的电机效率，η_iV为Ⅴ点的变频器效率；

方法一、方法二和方法三相比较而言：

方法一的有效功率W_e＝ΔP₃·L最大，但总效率η_pIII·η_mIII·η_iIII偏大，因此功耗是大是小还很难说；

方法二为直接改变转速调节，其有效功率W_e＝ΔP₁·L最低，但其总效率η_pIV·η_mIV·η_iIV由于水泵效率η_pIV的降低而显著下降，因此功耗是大是小也很难说；

方法三为阀门与变频器双调节，此时的有效功率W_e＝ΔP₂·L介于方法一和方法二之间，总效率η_pV·η_mV·η_iV介于方法一和方法二之间，因此功耗是大是小也很难说。

也就是说，不能因为方法一的水泵效率高(在分母上)，就认为方法一的功耗W_III小，因为方法一的有效功率W_e＝ΔP₃·L最大(在分子上)；同样，也不能因为方法二的有效功率W_e＝ΔP₁·L最小(在分子上)，就认为方法二的功耗W_IV小，因为方法二的水泵效率低(在分母上)；方法三的功耗W_V与方法一的W_III和方法二的W_IV相比较而言是大是小也很难说。

从以上的分析可以看出，图中的Ⅲ点不一定是功耗最低的工作点，IV点也不一定是功耗最低的工作点，功耗最低的工作点很可能是Ⅲ点与IV点相连接的线段上的某一点，如果能够把该功耗最低的工作点寻找出来，该点也就是水泵的最优工作点。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提出一种水泵优化节能控制方法，使水泵在满足用户对流量的需求的同时，通过寻找最优工作点，以及对变频器和调节阀的双重调节使水泵运行在该最优工作点，该方法可在满足用户需求的前提下，使水泵的能耗最小。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种水泵优化节能控制方法，包括以下步骤：

1)推导出水泵的总输入功率计算公式，通过水泵的总输入功率计算公式进行计算，寻找出水泵运行特性曲线上的最优工作点；

水泵的主要性能参数有流量L、扬程ΔP_p、轴功率W_P和轴效率η_p，水泵电机效率η_m，水泵总输入功率W_t，水泵输出有效功率W_e，它们之间的关系如下：

W_e＝ΔP_p·L (3)

若水泵进行变频调节，则还应加入变频器效率η_i，则水泵的总输入功率计算公式变为：

通过公式(4)可知，在满足用户需求的前提下，要最大限度的减少水泵能耗，需要尽量降低水泵的输出有效功率W_e＝ΔP_p·L，并且尽量提高水泵总效率η_total＝η_p·η_m·η_i，使得最小；

为了达到所需要的流量L,可以有多个工作点，各个工作点的流量都是L，但根据公式(4)，各个工作点的总输入功率W_t却不同；

根据公式(4)的计算可以得到一个W_t最低的工作点，该工作点即为最优工作点；

2)通过阀门调节与变频器调节的相互配合，将水泵的工作点调节至步骤1)确定的最优工作点，此时水泵的能耗最低。

本发明的有益效果是：

本发明提出一种水泵优化节能控制方法，使水泵在满足用户对流量的需求的同时，通过对变频器和调节阀的双重调节，使水泵能在最佳工作点运行，此时水泵的能耗最小，以最大限度的节省能耗。也就是说，该方法可在满足用户需求的前提下，使得水泵的能耗最小。

本发明提出的一种水泵优化节能控制方法对于节约水泵系统的运行能耗具有重要意义。本方法是一种水泵优化节能控制方法，可以大大促进水泵运行控制技术的发展。并且由于水泵是耗能大户，从水泵运行中节约的能耗数量将是十分巨大的，对国家的节能事业的发展具有非常重要的现实意义，符合目前国家和有关部门大力支持节能减排工作的政策方针。

附图说明

图1为本发明水泵调节过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

对于某型号离心泵，额定流量250m³/h，额定扬程42m，通过变频器和阀门双重调节的方式实现其优化节能控制，其水泵运行调节图如图1所示。

参照图1，图1中的横坐标为水泵的流量，纵坐标为水泵的扬程，N1、N2、N3、N4为水泵电机在不同转速下水泵的特性曲线，S0、S1、S2、S3为不同阻力下的阻力特性曲线。

水泵优化节能控制方法的步骤如下：

1)水泵的主要性能参数有流量L、扬程ΔP_p、轴功率W_P和轴效率η_p，水泵电机效率η_m，水泵总输入功率W_t，水泵输出有效功率W_e，它们之间的关系如下：

W_e＝ΔP_p·L (3)

若水泵进行变频调节，则还应加入变频器效率η_i，则水泵的总输入功率计算公式变为：

通过公式(4)可知，在满足用户需求的前提下，要最大限度的减少水泵能耗，需要尽量降低水泵的输出有效功率W_e＝ΔP_p·L，并且尽量提高水泵总效率η_total＝η_p·η_m·η_i，使得最小；

当需求流量为L＝180.55m³/h时，功耗最低的工作点位于Ⅲ点与IV点相连接的线段上的某一点，通过公式(4)进行计算，工作点Ⅴ的W_t最低，该工作点Ⅴ则为最优工作点，该最优工作点的流量为180.55m³/h，扬程为23.8米，水泵轴效率η_p为78.5％，水泵电机效率η_m为95.3％，变频器效率η_i为90.2％，该最优工作点Ⅴ的W_t最低。

2)通过变频器与阀门双重调节的方式将水泵运行工作点调整到该最优工作点Ⅴ点，即可在满足用户需求的情况下，使水泵的能耗最低。具体调节过程如下：

当初始工作点为Ⅰ点时，首先从Ⅰ点沿着N1曲线，通过阀门调节，将工作点调节至N1与S3的交点；然后再从N1与S3的交点，通过调节变频器改变电机转速，沿着S3曲线，将水泵运行工作点调节至S3与N3的交点,该点即为最优工作点Ⅴ点。

Claims (1)

1.一种水泵优化节能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)推导出水泵的总输入功率计算公式，通过水泵的总输入功率计算公式进行计算，寻找出水泵运行特性曲线上的最优工作点；

水泵的主要性能参数有流量L、扬程△P_p、轴功率W_P和轴效率η_p，水泵电机效率η_m，水泵总输入功率W_t，水泵输出有效功率W_e，它们之间的关系如下：

$W_t=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_p\·L}{{\mathrm{\η}}_p\·{\mathrm{\η}}_m}---\left(1\right)$

$W_p=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_p\·L}{{\mathrm{\η}}_p}---\left(2\right)$

W_e＝△P_p·L (3)

若水泵进行变频调节，则还应加入变频器效率η_i，则水泵的总输入功率计算公式变为：

$W_t=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_p\·L}{{\mathrm{\η}}_p\·{\mathrm{\η}}_m\·{\mathrm{\η}}_i}---\left(4\right)$

通过公式(4)可知，在满足用户需求的前提下，要最大限度的减少水泵能耗，需要尽量降低水泵的输出有效功率W_e＝△P_p·L，并且尽量提高水泵总效率η_total＝η_p·η_m·η_i，使得最小；

为了达到所需要的流量L,可以有多个工作点，各个工作点的流量都是L，但根据公式(4)，各个工作点的总输入功率W_t却不同；

根据公式(4)的计算可以得到一个W_t最低的工作点，该工作点即为最优工作点；

2)通过阀门调节与变频器调节的相互配合，将水泵的工作点调节至步骤1)确定的最优工作点，此时水泵的能耗最低。